强化混凝技术研究与发展方向

季 丹 陈 乾 彭小军 胡锋平

(华东交通大学，江西 南昌 330013)

随着环境污染问题的日益严重以及水质标准的渐趋严格，常规混凝技术已经越来越不能满足人们对水质安全的要求，而强化混凝与优化混凝成为提高常规饮用水处理工艺效率的重要途径。与常规混凝相比，强化混凝技术能更加有效地去除原水中的NOM[1，2]。研究与实践揭示，强化混凝技术在城市污水及工业废水处理中的研究与实践中的确取得了许多满意效果[3-7]。因此很有必要对其发展概况以及重点研究方向加以分析探讨，并进一步促进完善我国的水处理工艺技术，为我国强化混凝技术的研究与应用提供有益的借鉴。

1 强化混凝研究进展

近年来，我国针对强化混凝的研究力度空前加大，许多学者对强化混凝进行了更深入的研究，突出体现在：对水体中有机物的特性进行深入认识；对有机物去除规律进行了大量研究，试图建立有机物去除模式，总结出一些强化混凝去除水体有机物的机制；对有机物去除手段的综合利用等。研究发现，强化混凝过程中混凝剂的投加量是提高有机物去除率的重要影响因素，另外水体有机物、颗粒物性质和分布情况、温度、pH、水力条件等也有一定的影响[8-12]。

1.1 强化混凝的概念与定义

“混凝”是混合、凝聚和絮凝的总括，具有广义与狭义的双重性。混凝过程是水中胶体粒子以及微小悬浮物的聚集，使水中胶体粒子以及微小悬浮物聚集成大颗粒，以利于沉降分离过程。强化混凝(enhanced coaguIation简称EC)最早是在美国水工协会(American water works association，AWWA)会刊1965年的一篇论文中有所论述。而美国水工协会在20世纪90年代提出的强化混凝是指水处理常规混凝处理过程中，在保证浊度去除效果的前提下，通过提高混凝剂的投加量来实现提高有机物(即DBP前驱物)去除率的工艺过程。这一强化混凝主要是指在常规处理工艺流程中在混凝处理时投加过量的混凝剂、新型混凝剂或助凝剂或者是其他的药剂并控制一定的pH值，通过加强混凝与絮凝作用，从而提高常规处理中天然有机物(NOM)的去除效果，最大限度地去除消毒副产物的前体物(DBP)，保证饮用水消毒副产物符合饮用水标准的方法。

为了减少DBP的生成，尽量降低水体中NOM的含量是关键。大量研究表明，可以将TOC作为DBP前驱物的主要替代指标。为了达到TOC去除目标，制水企业可以采取多种方法，而并非必须采取强化混凝技术。比如，有些水体或原水水质经过常规处理或常规混凝即可达到上述要求；或者有些水体中TOC指标经过活性炭吸附处理能够达到规定的要求，则没必要进行强化混凝。相比较那些复杂且昂贵的设备改造、工艺改进方案，强化混凝被认为是去除DBP前驱物的最为可行的技术(Best Available Technology，BAT)，因而也成为强化常规工艺的重要内容[13]。

1.2 强化混凝机理

强化混凝主要是通过改善混凝条件使有机物去除范围和去除率进一步扩大和提高，对于大多数金属盐混凝剂去除有机物的机理主要是：通过改善混凝处理条件，在低pH、高混凝剂用量的强化混凝条件下形成大量金属氢氧化物，改善混凝剂水解产物的形态且使其正电荷密度上升，同时低pH条件会影响有机物离解度和改变水中有机物存在形态。有机物质子化程度提高，电荷密度降低，进而降低其溶解度及亲水性，成为较易被吸附的形态。Randtke认为强化混凝去除有机物的机理主要包括胶体状自然有机物(NOM)的电中和作用，腐殖酸和富里酸聚合体的沉淀作用，以及吸附于金属氢氧化物表面上的共沉淀作用.对水中溶解性的有机物而言，依靠后一种作用即吸附于混凝剂的金属沉淀物上而去除。

2 强化混凝研究发展方向

关于强化技术的发展，主要研究混凝剂和反应过程的强化。

2.1 混凝剂研究与进展

混凝剂是混凝技术应用中关键之所在。混凝剂主要可分为无机与有机两大类，另外无机、有机之间的混合型、复合型混凝剂当前也有一定的发展。对于不同的水质，混凝剂的选择有所不同，但是总体上来说无机(铁盐及铝盐)混凝剂对TOC去除效果比有机絮凝剂好，这是因为有机阳离子高分子絮凝剂在天然水混凝过程中，只能产生电中和作用并参与腐殖酸和富里酸的沉淀，不能吸附有机物；而铝盐和铁盐不但可以起电中和作用使胶粒脱稳形成腐殖酸和富里酸的铝、铁聚合物以利于沉淀去除，而且还能在形成的金属氢氧化物的表面提供强烈的吸附作用，同时还有网捕作用。杨开明[14]等通过实验，对比了PAC、碱式AlCl3、明矾、Fe2(SO4)3及聚合铁等五种混凝剂强化混凝处理效果。高分子絮凝剂有很好的助凝效果，目前广泛应用的是无机高分子絮凝剂(Inorganic Polymer Flocculants，IPF)。近年来，由于生物技术的迅猛发展，微生物絮凝剂以其无毒、可生物降解、无二次污染等独特的性质，越来越受到人们的广泛关注，在给水处理工艺中展示了良好的应用前景。

最佳投药量可以由到达某有机物及浊度等指标目标的最低投药量确定，或是当投药量继续增加对出水水质提高影响不是很显著时的投药量。通过试验检测絮体等效粒径、数量、沉速等特性，选取最佳投药量的目标值。在原水水质变差的条件下，通过增大药剂投量，增加颗粒物参与吸附架桥与卷扫等作用的机会。利于对胶体聚集稳定性的破坏，可提高混凝效果。通过增大药剂投量强化混凝.可使水中NOM的去除率>60%[1]，且对于总有机碳(TOC)>5mg/L的水，强化混凝的处理效果与臭氧、活性炭吸附等高级处理技术相当，而且无机混凝剂的效果好于有机的[6-7，15]。黄晓东等[16]以微污染水库水为原水，对增加聚合氯化铝(PAC)投量的强化混凝与常规混凝的处理效果进行了对比。试验结果显示，增加PAC投量使TOC去除率提高24%。高锰酸钾指数去除率提高10.5%：藻类去除率也由常规混凝的67.2%上升至85.9%，提高了18.7%。强化混凝是一种不需额外增加高额投资又能在现有处理构筑物基础上控制消毒副产物(DBPs)形成的有效方法[17]。

适量增加混凝剂的投加量能有效提高浊度、有机物的去除，并且去除有机物的投药量高于除浊的投药量。当然也不能一味地增加混凝剂的投药量，过高量会引起胶体重新稳定，并且易产生大量的污泥，造成二次污染。合适的投量应该根据水源水质特点和处理后水质要求来确定。自动控制混凝剂投加量是强化混凝热点研究方向之一。

2.2 反应过程强化的研究与进展

2.2.1 水质特征与变化规律的研究

对于我国不同水体中水体颗粒物、有机物的分布与转化规律需要开展深入系统的研究，明确有机物的去除与转化特征，探索其强化去除工艺条件，探求不同有机物的消毒副产物的形成特征与控制条件。建立相应的有机物的强化去除模式。水中有机物特征和分布质直接决定与混凝剂之间的相互作用机理。董秉直[18]等研究了水中有机物的含量及种类对混凝结果产生的影响，指出混凝与有机物分子量、典型及其溶解性有关。

传统的工艺着重于粘土颗粒物、天然腐殖酸等浊度、色度特征，而随着环境污染的日益严重和技术研究的深入，对于水质的影响逐渐得到重视.不断变化的水质，以及水体中存在的和人工合成的纳米污染物成为水处理研究中的重要对象。在建立水源水质数据库基础上，根据水质变化的主体特征如有机物(TOC)，低温低浊、高温高藻，微污染特征，碱度高低，溶解性物质等不同的水质条件与变化特征来决定后续工艺的选择。同时表现在不同处理目标的确立与工艺协同优化选择。

2.2.2 反应器的影响

混凝过程是集众多复杂物理化学乃至生物反应于一体的综合过程，在既定条件下，包括诸如水溶液化学、水力学、不断形成与转化的絮体之间或碰撞或黏附或剪切等物理作用及其微界面物理化学过程等。混凝技术的高效性取决于高效混凝剂、与之相匹配的高效反应器、高效经济的自动投药技术与原水水质化学等多方面的因素。不同混凝剂表现出不同的混凝特性如与有机物的反应特性以及水力条件的要求等，从而要求与之形态分布与反应特征相适应的高效反应器。对反应器的组成结构、水力条件、反应过程控制进行相应的优化，以达到反应过程的最优化控制，与特定目标污染物去除的进一步强化.

混凝研究的根本出发点在于水体颗粒物的微界面接触絮凝过程与作用机理的深入研究.传统的絮凝理论是双向碰撞结成粗大絮团加以分离，这种作用机理不能充分发挥纳米絮凝剂和微界面的相互作用优势.现代水处理工艺中有各种技术单元涉及纳米污染物与微界面的吸附絮凝作用，是利用微界面促进污染物的絮凝与聚集，共同的作用机理是界面接触絮凝。界面接触絮凝理论有助于开发更高效的操作单元，缩短工艺流程，节省药剂及费用，特别是可以为难处理的纳米污染物提供新的分离技术原理。

2.2.3 pH和温度的影响

pH值的大小对混凝剂的水解形态分布、水中污染物形态分布等都有影响，在一定程度上决定着混凝剂效果的发挥。pH较低，混凝剂水解较慢，混凝剂有效作用时间长、效力强，有机物的电性被部分中和使其亲水性降低，导致更多的有机物被混凝剂电中和沉降去除，因此较低的pH环境有利于有机物通过混凝被去除。对于铝混凝剂而言，最适于有机物去除的pH值在5.5～6.5之间。尽管一般而言，较低的pH值有利于有机物的去除，但是在实际操作中，混凝剂的类型、投加量、pH值都必须同时考虑。

温度的影响是复杂的，低温可能造成水的粘度上升，阻碍混凝剂的扩散和絮体沉降；可以影响水解动力学平衡，影响金属氢氧化物的形成；另外影响水的离子积常数，降低离子积常数，从而降低水中氢氧根的浓度。同时，低温可能造成形成的絮体密实度较低、絮体较小，导致分离效果差。在一定范围内温度越高，有利于絮凝剂的水解、与污染物的相互作用，有机物去除率越高；且微生物生长越旺盛，水体中有机物从溶解态转化为颗粒态，较容易混凝去除。

3 结论

强化去除水体颗粒物和水体有机污染物，降低、消除消毒副产物的危害，提高饮用水水质和确保水质安全，是一个系统性工程，需要结合预处理以及后续的工艺进行综合优化考虑。强化混凝是其中最佳的选择之一，在强化去除污染物方面具有效果显著，而所导致的不良副产物和水体残留少、危害性低，与其他处理工艺相比，具有与我国现行的处理工艺易于结合，且设备投资和运行费用均较低等优点，成为适合我国国情的去除水中有机物的一个重要技术方案和重点发展方向。

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